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使用超分辨技术对半导体量子点成像

发布:HPLSElaser阅读:2503时间:2018-2-1 22:41:04

德国波鸿鲁尔大学和瑞士巴塞尔大学的合作项目中使用量子开关来提高分辨率。


一个半导体中的四个量子点,分别用一般的显微镜成像(左)和用新方法成像(右)。图片来源:巴塞尔大学物理系。

近年来,在成像技术上已出现多种超越固有衍射极限的方法,这些超分辨率方法的重要性逐渐提高,2014年诺贝尔化学奖授予了三位这一领域的先驱研究人员。

在纳米尺度上成像的一种方法是利用强度依赖性的分子开关,并使用不同波长的激光在某种结构的某些区域触发荧光,而同时在其他区域抑制荧光。

在适当的环境中,该种状况下的荧光区域可以缩小至小于衍射极限的尺寸。由Stefan Hell开发的受激发射损耗(STED)技术以及其他与激光器非相干响应相关的技术中均使用到超分辨率方法。

德国波鸿鲁尔大学(RUB)和瑞士巴塞尔大学的合作小组目前已研发出一种基于相干响应的技术,并展示了如何使用该技术提高超分辨率性能。该项工作已发表于Nature Photonics。

该团队成功地将其原理应用于包含量子点的固态系统,其半导体颗粒尺寸仅为十纳米左右。单电子能够被限制在这种尺寸的结构中,并且只能假定特定的能级,从而产生一个量子力学的双能级系统。

该方法与STED方法的不同之处在于,STED方法在接收激光激励时,通过占有其荧光团中至少四种不同能级而起作用。在新研究中检验的双态系统可用于量子力学中的某些重要实验。

超分辨率法的改进

RUB的Arne Ludwig表示:“就Stefan Hell团队研发的方法而言,这些分子将被转换成一个永久的亚稳态暗态,但是我们会通过分析量子点中的短暂状态(仅持续一纳秒)来尽量避免这种情况的发生。因此我们有必要开发出一种控制量子水平上人造原子的光学开关。”

通过启动一种被称为“快速绝热通道”的现象(该现象中量子点的能量水平以一种可控的方式反转),并使用变化频率的啁啾激光脉冲激发这些量子点,成功形成了控制荧光物质的分子开关。

研究人员表示,使用该种新方法达到的分辨率“仅是所用光波长的1/31”。其与STED显微镜不同的是,新方法不会释放热量。

巴塞尔大学的Richard Warburton表示:“这是一个巨大的优势,因为任何释放的热量都会破坏正在研究的分子。该方法适用于所有具有两个能级的物体,如真实原子、冷分子、量子点或色心等。”

在超分辨率工具箱中快速建立绝热通道是在显微镜下应用量子开关的重要一步,即使这些开关没有亚稳态。在人工原子作为量子信息单元的情况下,量子开关还可在纳米尺度上作为控制元素。

Warburton表示:“该应用将Stefan Hell的方法提高到一个新的水平,几乎每个量子系统都可以进行纳米级分析。”

来源: http://optics.org/news/9/1/36

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